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光學薄膜在激光系統中的應用及性能要求
日期：2025-08-14 13:45
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摘要：光學薄膜在激光系統中的應用及性能要求
光學薄膜在激光系統中的應用及性能要求
摘要：光學薄膜是激光系統中非常重要而又*容易損傷的薄弱環節。因此研究光學薄膜的激光破壞機制，如何提高激光損傷閾值，具有重要的實際意義。本文首先分析了激光與薄膜材料的相互作用，并從微觀和宏觀方面較為**的闡述了光學薄膜激光損傷機理，結合文獻給出的實驗數據，系統地從激光和薄膜自身兩個方面介紹了影響薄膜激光損傷閾值的因素，并為如何提高光學薄膜激光損傷閾值提出了建議。關鍵字：激光損傷；光學薄膜；損傷閾值
1.引言
光學薄膜是激光發展過程中極重要的一環，業內通常用“燈、棒、膜”來形象地概括激光器的抽運能源、工作物質及諧振腔三大基本構件[1]，其中的抽運能源和工作物質隨著激光器的不同而千變萬化。對于激光器的種類，或者激光技術的發展及變化，光學薄膜都是關鍵元件。隨著激光技術的發展，光學薄膜的性能、種類、結構也呈現出百花齊放的局面，尤其是激光核聚變高功率激光系統，對光學薄膜的光學性能嚴格要求，而且要求其在全口徑范圍內具有超強的抗激光損傷閾值。光學薄膜的損傷閾值是限制激光器輸出強度并危及激光系統**運行的重要因素[2]。光學薄膜在激光系統激光測距望遠鏡的成像和測距過程中的應用，重點分析光學薄膜的膜層的光學特性和物理特性，近年來隨著激光技術發展出現了一些新型薄膜元件，譬如超短脈沖激光所需的啁啾薄膜、脈沖壓縮用的光柵薄膜、光強空間分布調整用的高斯反射膜、全固化光技術用的多波長薄膜等。對激光系統來說，無論哪種薄膜都有共同的要求：高激光損傷閾值和理想的光學性能。
2.光學薄膜在激光系統中的應用
光學薄膜在激光系統，我們以激光測距望遠鏡為例，光學薄膜在激光測距望眼鏡的成像和測距過程中起著關鍵的作用，膜層的光學特性和物理特性都直接影響望遠鏡的成像性能及測距精度。激光測距望遠鏡的各種膜系的理論設計雖然重要，但工藝制作也很重要，要把工藝制作和實際相結合，綜合考慮膜料特性、蒸鍍方法、制備參數等因素，力求得到光學性能穩定、膜層牢固、抗腐蝕及抗激光性能良好的上等薄膜[3]。
激光測距望遠鏡光學系統示意激光測距望遠鏡的光學系統接收光線示意圖[4]如圖1 .1所示。激光由激光器發出，經物體反射后返回，經物鏡進入系統，由棱鏡分光，進入光電接收器進行處理后顯示距離。同時，根據望遠鏡原理，物體成像可由目鏡進行觀察。由圖可知，光學薄膜對觀察物體和測距都起著非常重要的作用。
圖1.1激光測距望遠鏡的光學系統接收光線示意圖在激光測距望遠鏡中，紅外點增透膜的作用是增強紅外激光的透過率，減少激光能量的損失，從而使光電接收器的計數更為準確。它鍍在棱鏡靠近光電接收器的一面。
可見光寬帶增透膜是目視觀察儀器中必備的一種膜層，它的主要作用是降低光學零件的表面剩余反射光，從而增強光的透過率，以達到清晰的觀察效果的目的。在激光測距望遠鏡中，寬帶增透膜鍍在觀察目鏡上。
干涉截止濾光膜[5]的主要作用是既讓可見光反射，又讓激光透射，使一起進入光學系統的可見光和激光分離，便于人眼直接觀察到可見光，激光進入光電接收系統進行計數以計算距離值。干涉截止濾光膜是實現觀察物體和測距的關鍵，也是激光測距望遠鏡制造難度*大的部分。如圖1 所示，可見光和紅外光同時到達棱鏡，干涉截止濾光膜將可見光全部反射，而讓紅外光全部透過，這樣既滿足了人眼觀察要求，也滿足了測光測距功能，因此，干涉截止濾光膜的性能好壞將直接影響整個光學系統的成像質量和測距精度。
3.光學薄膜損傷閾值的影響因素
激光元件的損害問題對激光功率水平的提高有著相當重要的影響，而光學元件中的光學薄膜卻*是容易受到激光照射的損壞，所以為減小激光對光學薄膜的損害，毫無疑問，我們要做的就是提高光學薄膜的抗損害閾值，增加其使用壽命。光學薄膜的種類有增透膜，反射膜，干涉濾波片，其中增透膜在光學系統的*外面，在激光系統中易受損傷。隨著對激光輸出功率和能量要求不斷的提高，關于光學薄膜的強激光損傷與抗激光損傷的研究近年在國內外一直很熱，各界人士千方百計提高光學薄膜的損傷網值。為不斷提高其抗激光強度的*大值，并改進激光系統，于是對光學薄膜的光譜性能有著較高的要求。此外，在**方面，應用強激光**對光學薄膜元件的破壞可以造成航天飛行器的致眩、致盲、失控，甚至于系統的整體失效[6]。
關于激光對薄膜損傷的研究*重要的就是要找到造成薄膜損傷的原因和機理，在強相干輻射作用下，薄膜會產生的一些無法用經典薄膜光學理論進行解釋的現象。所以我們通過分析薄膜與強激光相互作用的過程及結果，具有重要的學術意義。激光對光學薄膜的損傷是一個復雜的過程，它與激光的波長、脈寬、偏振態、模式、光斑、輻照方式以及光學薄膜的光學特性、膜料、制備工藝、薄膜結構、缺陷密度等多方面決定。同時，在**領域，強激光對光學元件尤其是光學薄膜的破壞成為激光反導彈、激光反衛星的重要攻擊方式。
3.1激光影響因素
通過實驗數據對比分析，我們分別從激光的波長，光斑尺寸，激光脈寬，多脈沖激光，以及激光模式對光學薄膜的激光損傷閾值進行分析。
（1）激光波長
我們知道激光的波長與其能量是有很大關系的，所以考慮到光學薄模的損傷閾值，我們得出激光的波長也是研究的重點。通過實驗我們會發現大多數光學薄膜存在“波長效應”，就是當波長的減小時光學薄膜的激光損傷閾值會呈一定比例的下降，即短波長激光更容易造成薄膜元件的損傷。當然這種波長效應并不是在所有的光學薄膜上都很明顯，甚至結論相反。例如對于脈寬為15ns 的激光脈沖，當波長從1064nm 倍頻至532nm 時，除MgO薄膜外，所有的薄膜的損傷閾值均有所降低。
（2）光斑尺寸
光學薄膜對于強激光的輻射，通過實驗發現，輻照激光束光斑越小，光學薄膜所能承受的損傷范圍越大，即激光對薄膜的損傷閾值具有所謂的“光斑效應”。在當前的研究中人們認為“光斑效應”是雜質吸收引起的，因光學材料在加工過程中總會使雜質摻雜進去，從而在較大程度上吸收了激光。實驗表明，強激光輻射薄膜時光斑效應的大小與薄膜中雜質分布的疏密有關。當改變入射激光束的光斑尺寸時，激光輻射到薄膜雜質部分的幾率將改變，從而改變了激光損傷閾值。實驗中，對于同一塊薄膜，輻射激光的光斑越大，雜質缺陷落入輻照區的幾率就越高，損傷閾值就越低，當光斑大到一定程度，在光斑內總是存在容易破壞的缺陷，則破壞閾值就穩定在缺陷的破壞閾值上。此外，在光斑大小不同的情況下，保持激光照射能量密度的相同，我們發現激光在光斑內能量沉積的總和是不一樣的，這導致了薄膜內溫度場的分布不均，在大光斑內雜質吸收的激光輻射溫度*大值高于小光斑內的溫度*大值，這也就導致了薄膜破壞閾值的降低。
（3）激光脈寬
通過觀察總結，研究人員得出，通常情況下，隨著激光脈寬的減小，激光對薄膜的損傷愈不理想，即光學薄膜激光損傷閾值越小，我們稱之為脈寬效應。所以激光脈寬是影響薄膜損傷閾值的重要參數，因為脈寬越短，激光功率就越高，激光對材料的損傷越大，薄膜損傷閾值也就越低。表示為：
Ith是激光功率損傷閾值，tp是激光脈寬，一般來說，m的取值與所選材料，制備工藝以及膜系的不同有關，其選擇范圍為0.3<m<0.5，典型的m 取值在0.35 附近。當然，同一薄膜對于不同的激光波長和脈沖寬度，其規律也不一樣。
（4）多脈沖激光
在通常情況下，隨著激光脈沖個數的增多，激光損傷閾值會減小。而多脈沖激光對光學薄膜的損傷規律也和單脈沖有所不同。中國科學院上海光機所高衛東博士通過實驗測定在單脈沖激光作用下HfO2/SiO2高反膜的損傷閾值為16.8J/cm2，在多脈沖激光作用下， HfO2/SiO2的損傷閾值如表3.1 所示。
通過圖表我們知道隨著脈沖數的增加HfO2/SiO2高反膜的損傷閾值出現了明顯的下降。
多脈沖激光對薄膜損傷閾值的影響有兩種解釋：一種認為多脈沖激光損傷是薄膜材料內部的微觀缺陷吸收激光能量后的非線性發展積累過程。薄膜上因工藝制作而有不可避免的微觀缺陷，缺陷吸收激光照射能量效率更高，于是在材料內部形成局部高溫，當溫度達到一定程度時，材料缺陷處就會熱爆炸、電子崩電離等過程，從而使缺陷進一步擴大。每個微觀缺陷的發展和爆炸，都將增加對后續激光的脈沖的吸收，并導致更大的微觀損傷的發生，*終導致薄膜元件破壞性的損傷。另一種說法是多脈沖激光損傷是一個熱積累過程，隨著脈沖數的逐步增加，能量也逐步增加，從而使薄膜輻照區溫度升高，當溫升達到一定程度時，就會使得材料在宏觀上表現出破壞。當然脈沖強度不能低于*小值，否則再多的激光脈沖也不會對材料產生損傷。
（5）激光模式
一般來說，用多模激光照射光學薄膜時，薄膜材料的損傷閾值要比在單模激光的情況下低得多。當激光束偏振狀態以及入射角不同時，損傷閾值也可能會有很大不同。
3.2薄膜影響因素
（1）薄膜材料特性
關于薄膜材料的選擇，我們會考慮其光學性能（折射率、消光系數、高低折射率的配比），機械性能（彈性模量、累積應力、機械牢固度等）。這些參數考慮對薄膜元件的性能和損傷閾值將產生直接影響。在薄膜的光學特性方面，選擇高低折射率差值越大的材料組合，設計和制備的光學薄膜的層數就越少。對于薄膜的機械特性來說，薄膜材料的比熱容、熱導率、熱膨脹、熔點以及彈性模量則更重要，這些因素直接決定了薄膜在激光溫度場和電場中的特性。對于抗激光薄膜材料來說，一般地，我們偏向于對激光能量吸收小、熱傳導快、熱容大的薄膜材料。常用鍍膜材料的部分物理參數如表3.2 所示。
4.結論
薄膜在現代科學技術中扮演著重要的角色，隨著激光技術的發展，薄膜在這個領域的應用越來越廣泛。因激光向著產業化方面的發展，所以光學薄膜也正從實驗室過渡到批量生產，走向產業化工業化生產，這就使得薄膜工作者要考慮材料、工藝、可靠性及成品率，來適應生產的需要。文章重點介紹了影響光學薄膜受激光照射使其損傷的閾值因素，在激光技術中，我們應用較多的光學薄膜是增透膜，反射膜，干涉濾波片。而且隨著激光能量的增加，制備高損傷閾值的光學薄膜是激光薄膜研究的重點。文章還介紹了光學薄膜在激光測距望遠鏡成像和測距過程中關鍵的作用，以及在固體激光器中的應用，膜層的光學特性和物理特性都直接影響望遠鏡的成像性能及測距精度。激光測距望遠鏡的各種膜系的理論設計固然重要，但工藝制作也不容忽視，因此工藝制作應與實際相結合，綜合考慮膜料特性、蒸鍍方法、制備參數等因素，力求得到光學性能穩定、膜層牢固、抗腐蝕及抗激光性能良好的上等薄膜。
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